基于VC++的模擬舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在無人機(jī)半物理仿真實(shí)驗(yàn)中，為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，提出用模擬舵機(jī)系統(tǒng)代替真實(shí)舵機(jī)的方法。基于VC++設(shè)計(jì)了模擬舵機(jī)系統(tǒng)。在半物理仿真系統(tǒng)中連入模擬舵機(jī)，并用該系統(tǒng)模擬副翼、升降舵、油門的舵機(jī)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模擬舵機(jī)系統(tǒng)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模擬舵機(jī)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好，可模擬多種舵機(jī)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：模擬舵機(jī)；多媒體定時(shí)器；PCL-836；PCL-812；PCL-726

0 引言
    無人機(jī)飛行控制仿真主要包括數(shù)字仿真和半物理仿真。半物理仿真將系統(tǒng)部分實(shí)物引入仿真回路，盡可能真實(shí)模擬現(xiàn)場情況，比數(shù)字仿真更能有效驗(yàn)證飛行控制系統(tǒng)的可靠性，尤其在其在初期試飛調(diào)參以及后期控制策略改進(jìn)階段應(yīng)用廣泛。
    做無人機(jī)的半物理仿真時(shí)，需要使用真實(shí)舵機(jī)，而舵機(jī)價(jià)格比較昂貴，且多次實(shí)驗(yàn)時(shí)存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)，無形中增加了實(shí)驗(yàn)成本。本文根據(jù)舵機(jī)在飛行控制系統(tǒng)中的作用及特點(diǎn)，基于VC++設(shè)計(jì)模擬舵機(jī)；該模擬舵機(jī)由綜合記錄計(jì)算機(jī)和若干板卡構(gòu)成，運(yùn)行于綜合記錄計(jì)算機(jī)中；代替實(shí)現(xiàn)真實(shí)舵機(jī)的功能，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

1 模擬舵機(jī)硬件設(shè)計(jì)
    模擬舵機(jī)系統(tǒng)，首先要能模擬舵機(jī)在半物理仿真中的功能；其次要不影響半物理仿真接入真實(shí)舵機(jī)。這個(gè)是通過PCLD-785B(繼電器輸出板)來選擇的，當(dāng)DO不輸出任何值時(shí)，Ci和NCi是導(dǎo)通的，當(dāng)DO輸出時(shí)，Ci和NOi導(dǎo)通(i=0，1，2，…，9)。
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示，為了簡潔，省去PCL-880接線板。

    圖1中的PCLD-782B是光電隔離板，為了隔離PCLD-785B帶來的噪聲和提高電壓(飛控盒輸出電壓是3．3 V，提高到TTL電平)。而PCL-836(頻率采集卡)和PCL-726(D／A輸出卡)，PCL-812(A／D采集卡)和位于綜合記錄計(jì)算機(jī)內(nèi)，在VC++中的操作方法如圖2所示。

2 舵機(jī)函數(shù)關(guān)系的輸入
    為了仿真多種舵機(jī)的需要，舵機(jī)函數(shù)關(guān)系應(yīng)該可調(diào)；同時(shí)系統(tǒng)要滿足自動(dòng)獲取接在圖1仿真舵機(jī)上舵機(jī)的舵機(jī)函數(shù)。系統(tǒng)用PCL-836發(fā)出PWM波，PCL-726采集反饋電壓。程序界面如圖3所示。

    圖中k，b為V=kT+b中的系數(shù)，V代表反饋電壓，T代表脈寬(單位：ms)。

3 模擬舵機(jī)軟件設(shè)計(jì)
3．1 PWM波采集方法
    對PWM的采集是程序的難點(diǎn)，這里使用PCL-836的事件計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)對PWM的測量。PCL-836共有6路計(jì)數(shù)器，其中CLK5用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號。在PWM的下降沿時(shí)去讀計(jì)數(shù)器的值，然后根據(jù)時(shí)鐘的頻率算出PWM高電平的時(shí)間。檢測PWM下降沿的常見的方法是使用中斷和查詢。在PWM每次下降沿時(shí)觸發(fā)中斷，在中斷程序里去讀計(jì)數(shù)器的值。但是PCL-836只支持一個(gè)外接中斷，并且是上升沿觸發(fā)中斷，而整個(gè)仿真需要4個(gè)舵機(jī)，在目前的硬件條件下并不能直接實(shí)現(xiàn)，需要一定的輔助電路，如非門等。其次用查詢的方法，用一個(gè)線程來讀DI，在下降沿時(shí)去讀計(jì)數(shù)器的值。但這樣CPU的占用很高，影響系統(tǒng)的整體性能。所以不使用查詢和中斷的方法。為了能夠檢測PWM下降沿，并考慮現(xiàn)實(shí)性，決定用1 ms定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。如果上次讀到高定平，而這次讀到低電平，就認(rèn)為是下降沿。雖然有不定的延遲，但是延遲小于1 ms，同時(shí)可以得到正確的值，而且系統(tǒng)占用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于查詢方法。
3．2 使用多媒體定時(shí)器采集PWM波
    微軟提供了精確定時(shí)器的底層API，支持能夠提供高精度的定時(shí)器服務(wù)，利用多媒體定時(shí)器可以精確地讀出系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間，并在很精確的時(shí)間間隔內(nèi)處理事件，可以到1 ms的精度。多媒體定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)的程序流程圖如圖4所示。

    用多媒體定時(shí)器采集PWM的方法帶來的不定延遲，加上Windows系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差帶來的延遲，使得模擬舵機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變差。但是飛控盒發(fā)出的PWM波幾乎是同時(shí)發(fā)出，即上升沿在時(shí)間上是一致的。所以可以用中斷加查詢的方法來檢測，用一路PWM做中斷源，每次中斷的時(shí)候去查詢，最終檢測到下降沿。
3．3 中斷加查詢采集PWM波
    PCL-836支持一路外部中斷，上升沿觸發(fā)。首先使用DRV_EnableEvent函數(shù)使能中斷，開始中斷線程，在中斷線程里用DRV_CheckEvent函數(shù)檢測中斷。中斷線程流程圖如圖5所示。

    使用中斷加查詢的方法采集PWM，實(shí)時(shí)性比較好，系統(tǒng)占用高于定時(shí)器方法，但是低于查詢方法。

4 仿真分析
    在半物理仿真系統(tǒng)中連人該模擬舵機(jī)，系統(tǒng)模擬副翼、升降舵、油門三個(gè)舵機(jī)。使用該系統(tǒng)采集飛控盒發(fā)出的PWM，并反饋電壓給模型機(jī)。經(jīng)仿真采集到各舵機(jī)的PWM曲線如圖6～圖8，可知該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有實(shí)時(shí)性好，可模擬多種舵機(jī)的特點(diǎn)。

5 結(jié)語
    本文基于VC++設(shè)計(jì)的模擬舵機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)飛行控制半物理仿真中真實(shí)舵機(jī)的功能，一定程度上降低了實(shí)驗(yàn)成本。該系統(tǒng)功能全面，設(shè)計(jì)靈活，可實(shí)現(xiàn)多種類型舵機(jī)，是一種行之有效的仿真方法。